能量達到每光子的一萬億倍!這是史上最強大的伽馬射線爆發!

2020-12-04 遨遊世界科學

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宇宙中有一種神秘的射線,叫伽馬射線,也叫γ射線。γ射線有很強的穿透力,它有利有弊,對細胞有殺傷力,但是醫療上用來治療腫瘤。而來自宇宙的伽馬射線威力無窮,因為伽馬射線會發生伽馬射線暴,伽馬射線暴是宇宙中發生的最劇烈的爆炸,目前來說沒有之一。

關於γ射線爆發的起源有一種理論認為是巨大恆星在燃料耗盡時塌縮爆炸成超新星或者兩顆鄰近的緻密星體碰撞產生的,它們相當於具有無窮能量的「巨超新星」。當一顆大質量恆星變成超新星並釋放出數十億光年外都能看到的雙光束伽馬射線時,就會發生這種能量爆炸。伽馬暴是宇宙中最富有高能量的現象之一,同時也是科學家研究最少的現象之一,因為相當罕見。由於它們與黑洞的形成密切相關,科學家們一直希望能夠有機會更詳細地研究這種罕見的現象。

伽瑪射線暴(Gamma Ray Burst, GRB),顧名思義,這是一種爆發,也就是意味著這是短暫的。伽馬射線暴短至千分之一秒,長則數小時,會在短時間內釋放出巨大能量。grb實際上很常見,在可觀測的宇宙中每天發生一次,但是我們很少看到那麼長時間的爆發,大部分grb非常短暫(僅持續幾秒鐘),而且大多數發生在遙遠的星系中,再加上很少有這樣的機會發生,所以GRB現象變得格外珍貴。在使用了一系列望遠鏡進行觀測之後,天文學家在2019年1月發現了GRB(命名為GRB 190114C)。GRB發出的一些輻射是迄今為止觀測到的最高能量,這是天文學歷史上的一個裡程碑。

由於伽瑪射線短暫和轉瞬即逝的性質,科學家在它們消失之前捕捉到源頭。但是在多個望遠鏡的幫助下,伽馬射線探測再次被優化了,因此GRB 190114被及時觀測到。其中包括美國國家航空航天局的尼爾·蓋恩斯·斯威夫特天文臺,費米伽馬射線太空望遠鏡,以及位於拉帕爾馬加那利島的、由馬克斯·普朗克物理研究所(MPP)操作的地面上的雙主大氣伽馬成象切倫科夫(MAGIC)望遠鏡。

當這些望遠鏡觀測到GRB 190114C時,他們觀察到一些能量釋放在1Tera電子伏特(TeV)範圍內,這大約是可見光觀測到的每光子能量的一萬億倍。根據先前的觀測,天文學家估計,為了達到這個能量水平,坍縮恆星釋放出的物質必須以99.999%的光速運動。換句話說,一個垂死恆星的物質必須被加速到物質所能承受的極限,才能產生這種能量爆發。然後,這些物質才會被強行穿過環繞恆星的氣體雲,從而造成衝擊,進而產生伽馬射線爆發。

長期以來,科學家們一直試圖觀測到GRB釋放出的能量極高的氣體,而這次爆炸是有史以來第一次。這一新的觀測結果是科學家在理解伽馬暴、它們的源環境以及物質在以99.999%的光速運動時的行為表現方面向前邁出的重要一步。

在未來,多個太空天文臺將對產生GRB 190114C的超新星進行觀測,以進一步了解它的環境以及這種極端爆發是如何產生的。特別是,歐洲天文學家利用美國宇航局的哈勃太空望遠鏡獲得了觀察時間,以研究伽馬射線暴的源環境。天文學家利用ESO的甚大望遠鏡(VLT)和智利的阿塔卡馬大毫米/亞毫米陣列(ALMA)協助這些工作。結合他們的觀察和哈勃獲得的數據,天文學家能夠更詳細地觀察到這個GRB的主星系(距離地球約50億光年)。

哈勃的觀測表明,這一特殊的爆炸發生在一個密度非常大的環境中,就在一個50億光年遠的明亮星系的中間。這真的很不尋常,這可能就是為什麼它會產生如此強大的光。

這一裡程碑證明了天文儀器能力的提高和國際合作的重要性。這也符合當今的天文學時代的發展,在這個時代,革命性的發現正變得越來越普遍。隨著時間的推移,過去人們對某些現象的理解和限制越來越少,並且在定期地對這些現象進行研究,相信在未來能夠發現更多伽馬射線暴的秘密。

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  • 哈勃太空望遠鏡觀測到史上最強伽馬射線暴
    (藝術渲染圖)| Credit:NASA伽馬射線暴(GRBs)是宇宙中釋放能量最劇烈的現象之一,同時這方面的研究成果也非常之少。這些能量的爆發是巨大恆星在變成超新星的過程中發生的,在數十億光年遠的地方都能看到其發射出的雙束伽馬射線。因為伽馬射線暴與黑洞的產生密切相關,所以科學家們一直以來都想要能夠更加詳細地研究這一罕見的現象。不幸的是,由於伽馬射線暴持續時間非常短暫(只有幾秒鐘)並且多數都發生在遙遠的星系,導致科學家們深入研究這一現象的機會少之又少。
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    :使用專門的望遠鏡,兩個國際研究小組記錄到了從伽馬射線爆發中測量到的最高能量伽馬射線,達到了可見光的1000億倍。伽瑪射線爆發是宇宙中已知的最強大爆炸,僅在幾秒鐘內就釋放出比太陽整個生命周期中釋放的能量還多,可以照亮幾乎整個可見的宇宙。天文學家一直在用衛星研究伽馬射線爆發,因為地球的大氣層非常有效地吸收伽馬射線。天文學家已經開發出專門的望遠鏡,可以觀察到宇宙伽馬射線在大氣中誘導稱為切倫科夫光的微弱藍色輝光。
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